Recherche sur la technologie de détection et la méthode d'analyse des décharges partielles dans le disjoncteur à cuve au sol SF6

Le disjoncteur de type cuve au sol est un dispositif de contrôle et de protection crucial dans les postes de transformation et les systèmes électriques. Il est principalement utilisé pour interrompre, fermer et transporter les courants de charge normaux dans les lignes, ainsi que pour couper les courants de court-circuit lors des défaillances du système. Composé d'éléments tels que des organes d'interruption, des embases isolantes, des transformateurs de courant de type embase, des chambres d'extinction d'arc, des mécanismes de commande et des boîtiers de mise à la terre, la chambre d'extinction d'arc du disjoncteur de type cuve au sol est logée dans un boîtier métallique mis à la terre.

Le SF₆ sert à la fois de milieu isolant et d'extinction d'arc pour les disjoncteurs de type cuve. Dans un champ électrique uniforme, sa force d'isolation est d'environ trois fois celle de l'air, et sa capacité d'extinction d'arc est d'environ 100 fois celle de l'air. Par conséquent, les disjoncteurs SF₆ se caractérisent par une structure compacte et une petite emprise au sol. De plus, les disjoncteurs de type cuve au sol offrent des avantages tels qu'un centre de gravité bas, une structure stable, une bonne performance sismique, des transformateurs de courant intégrés, une forte résistance à la saleté et une maintenance facile.

Cependant, lors de la fabrication, du montage, du transport et de l'exploitation des disjoncteurs de type cuve, des défauts d'isolation peuvent survenir en raison de facteurs tels qu'une mauvaise finition, des collisions, des chocs et des opérations de commutation. Les défauts d'isolation typiques comprennent des objets métalliques saillants sur les conducteurs ou les boîtiers, des électrodes flottantes et des particules métalliques libres. Lorsque l'intensité du champ électrique concentrée au niveau du défaut d'isolation atteint la tension de claquage de la zone sous la tension d'essai ou la tension nominale, une décharge partielle (DP) se produit. La décharge partielle est la cause principale de la dégradation de l'isolation des disjoncteurs et un précurseur des pannes d'isolation. Par conséquent, la surveillance en ligne des signaux de décharge partielle peut détecter les défauts d'isolation avant qu'une panne ne se produise, ce qui est un moyen essentiel pour assurer le fonctionnement sûr et stable des disjoncteurs de type cuve au sol et du système électrique.

Sur la base des signaux physiques générés pendant la décharge, les principales méthodes de détection de décharge partielle pour les disjoncteurs sont la méthode du courant pulsé, la méthode ultrasonore (AE), la méthode de la tension transitoire à la terre (TEV) et la méthode ultra-haute fréquence (UHF) [2-3]. Cet article combine l'expérience expérimentale et sur site pour passer en revue diverses techniques de détection et d'analyse de décharge partielle pour les disjoncteurs de type cuve au sol SF₆ et résumer les caractéristiques de chaque méthode.

Méthode du Courant Pulsé

Lorsqu'une décharge partielle se produit, le mouvement des charges génère un courant pulsé, qui peut être détecté par un dispositif de couplage ou un capteur de courant connecté dans le circuit de test. La méthode du courant pulsé est la seule méthode spécifiée dans la norme IEC 60270 et les normes connexes pour la mesure quantitative de la décharge partielle. Les autres méthodes sont principalement utilisées pour la détection ou la localisation de la décharge partielle. La méthode du courant pulsé offre une sensibilité élevée, mais elle est très sensible aux interférences électromagnétiques sur site. Il est donc nécessaire d'extraire les faibles signaux de décharge des signaux détectés. La grandeur physique représentant l'amplitude de la décharge partielle est la charge apparente q, qui peut être obtenue par la formule suivante.

Dans la formule, i(t ) représente le courant pulsé de la décharge partielle, Um(t) est la tension pulsée, Rm est la valeur de l'impédance de détection, et q est la charge apparente, avec l'unité de pC (picocoulomb).

La méthode du courant pulsé basée sur des capteurs de courant est adaptée à la détection en ligne de la décharge partielle. Les capteurs de courant haute fréquence fonctionnent généralement dans une plage de fréquences de 16 kHz à 30 MHz et sont conçus avec une structure de type pince, facilitant leur installation à l'extrémité de mise à la terre des disjoncteurs de type cuve au sol.

Méthode Ultrasonore

La décharge partielle provoque des collisions moléculaires intenses, générant des ondes ultrasonores qui se propagent à l'intérieur du disjoncteur. Des capteurs ultrasonores installés sur le boîtier du disjoncteur peuvent détecter les signaux de décharge partielle. Les éléments piézoélectriques à l'intérieur des capteurs ultrasonores convertissent les signaux ultrasonores générés par la décharge partielle en signaux de tension, qui sont ensuite transmis au circuit de détection. Le circuit de détection pour la méthode ultrasonore se compose principalement d'un découpleur (utilisé pour séparer les signaux d'alimentation des signaux ultrasonores), d'un amplificateur de signal et d'un filtre.

Les signaux temporels et fréquentiels des ondes ultrasonores de la décharge partielle à l'intérieur des disjoncteurs de type cuve au sol sont montrés à la Figure 2, avec la plage de fréquences principalement distribuée entre 50 et 250 kHz. La méthode ultrasonore présente des avantages tels que un coût faible, une installation facile, une forte résistance aux interférences électromagnétiques et une aptitude à la localisation de la décharge partielle. Cependant, la structure interne d'isolation des disjoncteurs est complexe, et les ondes ultrasonores se propagent lentement et subissent une atténuation significative dans le gaz SF₆, nécessitant l'identification d'une position de détection optimale.

Méthode Ultra-Haute Fréquence (UHF)

Le temps de montée et la durée des impulsions de courant générées par la décharge partielle sont de l'ordre de la nanoseconde, excitant des ondes électromagnétiques avec des fréquences équivalentes dans la gamme ultra-haute fréquence de 300 MHz à 3 GHz. Actuellement, la plage de détection de la plupart des capteurs UHF sur le marché est de 300 MHz à 1,5 GHz. En raison de la faiblesse et de la haute fréquence des signaux, la méthode UHF nécessite de conditionner les signaux d'entrée via des circuits de filtrage, d'amplification et d'intégration avant de les transmettre à une carte d'acquisition de données pour une analyse ultérieure.

Par ailleurs, lors de l'utilisation de la méthode UHF, il est nécessaire d'éliminer les bruits tels que les signaux de communication et les signaux d'alimentation d'éclairage, tant du point de vue logiciel que matériel. La méthode UHF se caractérise par une sensibilité élevée, une forte capacité anti-interférence et est adaptée à la localisation de la décharge partielle. Le motif de décharge partielle résolu en phase (PRPD) des signaux UHF d'une décharge partielle à potentiel flottant est montré à la Figure 3, qui contient des informations sur l'amplitude, la phase et le nombre d'occurrences de la décharge.

Méthode de la Tension Transitoire à la Terre (TEV)

Lorsque les ondes électromagnétiques générées par la décharge partielle se propagent jusqu'à l'enveloppe métallique du disjoncteur de type cuve au sol, un courant induit est généré à la surface de l'enveloppe, entraînant une tension transitoire à la terre à travers l'impédance d'onde du corps de mise à la terre. Le principe de fonctionnement d'un capteur TEV peut être équivalent à celui d'un diviseur de tension capacitif. Il détermine l'occurrence de la décharge partielle en détectant la tension à travers le condensateur équivalent entre l'électrode du capteur et la couche isolante. Les signaux de tension transitoire à la terre de la décharge partielle à l'intérieur d'un disjoncteur SF₆ sont montrés à la Figure 4, avec la plage de fréquences principale allant de 1 à 100 MHz. La méthode TEV se caractérise par sa facilité d'utilisation et l'absence de besoin d'un circuit de détection supplémentaire.

Méthodes d'Analyse de Décharge Partielle

Les méthodes d'analyse de décharge partielle sont utilisées pour évaluer le niveau de risque des décharges, débruiter les signaux et extraire les caractéristiques de décharge pour la classification des types de défaut. Ces méthodes comprennent principalement la méthode de la forme d'onde impulsionnelle, la méthode du motif de décharge partielle résolu en phase (PRPD), la méthode du motif de relation d'amplitude triphasée, la méthode du motif temps-fréquence et la méthode des caractéristiques statistiques basées sur le temps.

La méthode de la forme d'onde impulsionnelle analyse une forme d'onde de décharge unique en se basant sur des paramètres tels que le temps de montée, le temps de descente, la largeur d'impulsion, la kurtosis et la skewness. La méthode PRPD accumule les signaux de décharge partielle sous une tension alternative de fréquence industrielle pour obtenir la distribution de la phase, de l'amplitude et du nombre d'occurrences des décharges. Elle est également connue sous le nom de méthode \(\varphi -q -n\). La méthode du motif de relation d'amplitude triphasée est utilisée pour analyser les décharges partielles sous une tension alternative triphasée.

Elle acquiert les caractéristiques de distribution des décharges en collectant les amplitudes de décharge d'un signal de décharge unifié sous différentes tensions de phase. La méthode du motif temps-fréquence collecte les impulsions de décharge, calcule leurs temps équivalents et fréquences équivalentes, et trace le motif de distribution des décharges dans le domaine temps équivalent-fréquence équivalente. La méthode des caractéristiques statistiques basées sur le temps est applicable à l'analyse des décharges partielles sous courant continu haute tension. Elle analyse statistiquement les caractéristiques de distribution des décharges en fonction de la quantité de décharge et de la différence de temps entre les impulsions de décharge.

Pour la localisation des décharges partielles à l'intérieur des disjoncteurs de type cuve au sol SF₆, la méthode de la différence de temps absolue ou la méthode de la différence de temps relative peut être adoptée. La méthode de la différence de temps absolue utilise le signal d'impulsion de courant de décharge ou le signal ultra-haute fréquence (UHF) comme temps de début de la décharge. Après avoir calculé la différence de temps entre le signal ultrasonore et le signal de début de décharge, elle localise la source de décharge. La méthode de la différence de temps relative n'utilise que plusieurs capteurs ultrasonores installés à différents endroits sur la cuve du disjoncteur. Elle détermine l'emplacement des défauts d'isolation en calculant la différence de temps entre chaque signal ultrasonore et le signal ultrasonore de référence.

Conclusion

La surveillance en ligne des décharges partielles peut efficacement évaluer les performances d'isolation des disjoncteurs de type cuve au sol SF₆ avant qu'une panne ne se produise, et c'est l'un des moyens importants pour assurer leur fonctionnement sûr et stable. Cet article passe en revue les méthodes de détection et d'analyse des décharges partielles pour les disjoncteurs de type cuve au sol, en combinant l'expérience expérimentale et sur site.

Lors des applications sur site, plusieurs moyens de détection et méthodes d'analyse doivent être utilisés pour améliorer la précision et la fiabilité de la surveillance en ligne. Parallèlement, conformément aux exigences de la construction de l'Internet des objets énergétiques omniprésent, la mise en œuvre de technologies clés telles que la détection sans fil passive, les réseaux de communication sans fil à faible consommation d'énergie, le calcul en périphérie et les big data représente la tendance future de la détection de décharge partielle pour les disjoncteurs de type cuve au sol.